專利名稱：薄膜硅光伏器件的背電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽(yáng)能光伏器材領(lǐng)域，特別涉及到氫化硅薄膜光伏器件技術(shù)。
技術(shù)背景背電極對(duì)于基于薄膜氫化非晶硅和納米晶硅的太陽(yáng)能電池(也叫做薄膜光伏或光電器 件)，尤其是大面積光伏模塊的高性能和可靠性致關(guān)重要，其中高效的捕光能力，對(duì)于有效的 捕獲弱吸收光是不可缺少的因素。具有高反射率的背電極可以有效的把未被吸收的長(zhǎng)波光線 反射回光伏器件中。反射最好是以一個(gè)很大的角度(散射式)進(jìn)行，這樣使光再次進(jìn)入硅層 時(shí)有較長(zhǎng)的光學(xué)路徑，以增加其被吸收的機(jī)率，從而增加光電流。在實(shí)驗(yàn)室中，己經(jīng)獲得了效率良好的薄膜非晶硅和納米晶硅(納米硅)太陽(yáng)能電池。這 種太陽(yáng)能電池使用透明導(dǎo)電氧化物薄膜和反光的金屬薄膜，最好是以氧化鋅和銀(ZnO/Ag)作 為背電極。然而，這種ZnO/Ag的配合會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。厚的銀層會(huì)導(dǎo)致明顯的分流，分 流又會(huì)致使能量轉(zhuǎn)化率低，從而導(dǎo)致光伏模塊的生產(chǎn)量低。隨著時(shí)間的推移，銀會(huì)失去本身 的光澤，ZnO/Ag制成的背電極的反光能力就會(huì)降低。銀自身的擴(kuò)散能力很強(qiáng)，這影響了光伏 模塊(隨著銀滲透到硅層，會(huì)逐漸產(chǎn)生分流)的使用壽命。最后，和鋁相比，銀是一種非常 貴重的金屬。所以限制銀的用量有助于降低光伏模塊的生產(chǎn)成本。當(dāng)ZnO/Ag的背電極最先用于太陽(yáng)能電池時(shí)，人們使用較厚的硅層。由于硅薄膜較厚(比 如在三結(jié)太陽(yáng)能電池和光伏模塊中)，由銀導(dǎo)致的分流問題并不明顯。然而，為了生產(chǎn)更穩(wěn)定 的光伏模塊，如今的光伏模塊改用較薄的硅薄膜。這樣當(dāng)使用ZnO/Ag (或者單純的銀)作為 背電極材料時(shí)，就很容易產(chǎn)生分流的問題。人們發(fā)現(xiàn)即使對(duì)于小面積的二極管來說，ZnO/Ag 電接觸也比ZnO/Al電接觸更容易產(chǎn)生分流問題。當(dāng)前生產(chǎn)包含非晶硅，非晶硅鍺合金納米晶 硅的基于薄膜硅的光伏模塊時(shí)，ZnO/Al是人們普遍選擇的標(biāo)準(zhǔn)材料。圖l顯示了一個(gè)具有標(biāo) 準(zhǔn)背電極的p-i-n型光伏器件的層狀結(jié)構(gòu)。該電池的組成包括玻璃基板l;透明導(dǎo)電的前電極 2;基于氫化硅薄膜的p-i-n結(jié)構(gòu)8;透明導(dǎo)電氧化物22 (氧化鋅)和金屬膜45 (銀或鋁)。 通常的硅薄膜電池的背電極使用銀或者鋁，但兩者不能被同時(shí)使用。和ZnO/Ag不同，ZtiO/Al 制成的背電極不僅不易導(dǎo)致分流，而且即使產(chǎn)生分流問題也比較容易解決(通過所謂的"分 流削弱"程序)。我們針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，其它研究和商業(yè)組織也對(duì)該問題作了 相關(guān)報(bào)告。在很多情況下，使用ZnO/Ag的背電極的光伏模塊，比使用ZnO/Al背電極的光伏模塊能量轉(zhuǎn)化率低。這是因?yàn)槭褂肸nO/Ag作為背電極時(shí)，閉路電流的增加被填充因子(和 開路電壓)的降低所抵消。ZnO/Al是一種非?？煽康谋畴姌O材料，但是和ZnO/Ag相比，它的反光能力差很多。理論上說，ZnO/Ag可以和其它金屬和/或金屬氧化物膜層結(jié)合制成復(fù)合背電極， ZnO/Ag/X,其中X是"保護(hù)"導(dǎo)電層，或者說是保持穩(wěn)定的膜層(不和銀發(fā)生反應(yīng))。在 ZnO/Ag/X結(jié)構(gòu)中， 一個(gè)相對(duì)較薄的銀層(例如，50納米或者更少)被夾在氧化鋅和X之間。 這樣做的目的是在涉及激光處理和將單個(gè)電池串聯(lián)成光伏模板時(shí)，讓ZnO/Ag作為非晶硅氫n 層延伸的部分。"保護(hù)"膜層X必須滿足下列幾個(gè)條件良好的導(dǎo)電性，有分流抑制作用， 可以牢靠的附著在銀薄膜上但不會(huì)發(fā)生相互擴(kuò)散。在ZnO/Ag/X的背電極中，ZnO/Ag應(yīng)該主導(dǎo)光學(xué)性能而不是電學(xué)性能，這樣才能使和銀有關(guān)的分流最小化。X層應(yīng)該承擔(dān)主要的電流 傳輸作用，幫助減少固有的以及處理過程中導(dǎo)致的分流。因?yàn)殂y層被夾在氧化鋅和X之間， 形成光伏模板時(shí)使用的激光劃線更干凈，因?yàn)閯澗€區(qū)不會(huì)有太多的銀殘物留。所以新的方法 解決了傳統(tǒng)ZnO/Ag型簡(jiǎn)單背電極存在的問題。發(fā)明內(nèi)容基于上述考慮，申請(qǐng)人擬訂了本發(fā)明的首要目的提供一種新型的適用于薄膜硅太陽(yáng)能 電池的背電極，以提高光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是，使用新型的背電極以改善具有高轉(zhuǎn)換效率的基于氫化硅薄膜的 太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用ZnO/Ag/X型的復(fù)合背電極。這里的X，是具有良 好導(dǎo)電性的并能克服銀電極弱點(diǎn)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。明確的講，X最好由兩部分組成，其主要部分 是一個(gè)較厚的鋁薄膜，在它前面有一個(gè)很薄的氧化鋁薄膜，其厚度不超過50納米，最好不超 過20納米，其作用是防止銀和鋁的相互擴(kuò)散。如果沒有氧化鋁隔離層的話，銀和鋁兩層薄膜 會(huì)很快的相互結(jié)合，從而使背電極的光學(xué)和電學(xué)性能都受到影響，這個(gè)現(xiàn)象在比較高的運(yùn)作 溫度下更為明顯。根據(jù)對(duì)小面積太陽(yáng)能電池的測(cè)試，和ZnO/Ai相比，ZnO/Ag/A10x/Al背電極產(chǎn)生的光電 流更大(3-5%)。這主要是由于銀比鋁對(duì)紅光的反射率更高。人們還發(fā)現(xiàn)具有ZnO/Ag/AKVAi 結(jié)構(gòu)的背電極的光伏模塊的效率更高，主要是因?yàn)樘畛湟蜃拥玫教岣?。通過縮減銀的厚度，和用其他導(dǎo)電電接觸材料輔助ZnO/Ag(薄的Ag層)來限制"分流現(xiàn) 象"，ZnO/Ag/ZnO/Al這樣一個(gè)多層復(fù)合的背電極具有良好的光學(xué)和電學(xué)特征，并且有很好地 穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明采用銀和鋁的多層背電極模式，從而很好地保留了 ZnO/Ag和ZnO/A型背電極各自的優(yōu)點(diǎn)，避免了它們的缺點(diǎn)。我們發(fā)現(xiàn)使用極薄的銀層(例如30納米)，比起 較厚的銀薄膜層(比如說傳統(tǒng)的ZnO/Ag背電極中使用的厚度在150和250納米之間的銀薄 膜層)更穩(wěn)定，分流效應(yīng)也大大降低了。上述概念的延伸包括ZnO/Ag/Ni、 ZnO/Ag/NiV、 ZnO/Ag/Ti或是ZnO/Ag/Cr。這種背電 極在結(jié)構(gòu)上比ZnO/Ag/A10x/Al更簡(jiǎn)單，但是這些替代金屬的導(dǎo)電性不如鋁。這些電接觸的結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定，反光度較好，可以通過傳統(tǒng)的鍍膜設(shè)備和程序進(jìn)行簡(jiǎn)單地沉積。此外，本發(fā)明所述 的背電極中的所有的膜層都可以在同一個(gè)濺射設(shè)備中大面積的高速形成，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量， 所以本發(fā)明具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。值得注意的是由于氧化鋁本身導(dǎo)電性不佳，所以它的厚度必須保持在一定范圍以下，否 則的話光伏電池的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)受到影響。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖l是一個(gè)具有傳統(tǒng)背電極的p-i-n型基于薄膜硅的光伏器件的層狀結(jié)構(gòu)。 圖2顯示了具有本發(fā)明背電極的p-i-n型基于薄膜硅的光伏器件的層狀結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
為了解決背電極中銀和鋁的相互擴(kuò)散問題，我們?cè)阢y和鋁層之間嵌入了擴(kuò)散屏障氧化鋁。 如圖2所示， 一個(gè)依照本發(fā)明購(gòu)置的p-i-n型薄膜硅單結(jié)太陽(yáng)能電池包括如下部分玻璃基板 1，透明導(dǎo)電的前接觸層(氧化錫)2，基于氫化硅薄膜的由p層、i層和n層構(gòu)成的光伏單元 8和由多層薄膜構(gòu)成的背電極，包括氧化鋅層22、銀薄膜45、氧化鋁薄膜32和鋁層55。其 中銀薄膜45和氧化鋁薄膜32都是非常薄的薄膜，它們的厚度分別在20-50納米和5-30納米 范圍內(nèi)。 一個(gè)具體的例子是，使用磁控濺射沉積的這種ZnO/Ag(衝/A10x(衝/Al(厚)背電極 各個(gè)薄膜的厚度分別為100納米、40納米、8納米和200納米。40納米厚的銀薄膜45足以 提供近似于極厚的銀薄膜的光反射性，而只有8納米厚的氧化鋁薄32也足以確保銀和鋁薄膜 之間不會(huì)有相互擴(kuò)散的現(xiàn)象。本發(fā)明所描述的復(fù)合式背電極同樣可被有效的使用于由多個(gè) p-i-n型光伏單元疊加而成的多結(jié)太陽(yáng)能電池中。非常薄的氧化鋁的薄膜可以通過使用含氧化鋁靶子的濺射方法得到，另外一種做法，就 是在濺射鋁的時(shí)候在濺射室里輸入微量的氧氣，從而使生長(zhǎng)的鋁膜得到氧化。還有一種做法 就是使用等離子體化學(xué)氣相沉積法，使用三甲鋁和氧氣混合物從而極快的獲得。
權(quán)利要求
1. 一個(gè)薄膜光伏器件，包含a)一個(gè)透明導(dǎo)電的前接觸層，包括透明導(dǎo)電氧化物；b)一個(gè)單一的p-i-n型光伏單元或者多個(gè)重疊在一起的p-i-n型光伏單元，包括基于氫化硅的p型、本征i型和n型半導(dǎo)體薄膜；c)一個(gè)反光的導(dǎo)電背電極，其特征在于該反光的導(dǎo)電背電極結(jié)構(gòu)依次包括i.一個(gè)透明導(dǎo)電氧化物薄膜，包括鋁摻雜的氧化鋅；ii.一個(gè)銀薄膜，其厚度小于60納米；iii.一個(gè)氧化鋁薄膜，其厚度不超過30納米；iv.一個(gè)鋁薄膜，其厚度大于120納米。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜光伏器件，其特征在于所述的薄膜光伏器件與一個(gè)或多個(gè)其它的光伏器件并聯(lián)或串聯(lián)在一起，而形成一個(gè)輸出功率更大的光伏器件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜光伏器件，其特征在于p-i-n型薄膜光伏器件的薄膜層由不同的硅和硅合金薄膜構(gòu)成，這些薄膜的結(jié)構(gòu)是非晶體、納米晶體、混合相位或異體原子結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜光伏器件，其特征在于所述的反光的導(dǎo)電背電極中的鋁薄膜被一個(gè)或多個(gè)其它的金屬薄膜所替代，如鎳，銅，金這樣的金屬材料或?qū)щ姷暮辖稹?br> 5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜光伏器件，其特征在于該薄膜光伏器件被放置在堅(jiān)硬基板上，比如玻璃平板。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜光伏器件，其特征在于所述的反光的導(dǎo)電背電極中的氧化鋁薄膜具有非均勻的氧原子密度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型的薄膜硅光伏器件的背電極。為了同時(shí)獲得銀和鋁薄膜背電極的優(yōu)點(diǎn)，并抑制它們的缺點(diǎn)，本發(fā)明采取將銀和鋁疊加在一起的復(fù)合型背電極，并在它們之間加入一個(gè)很薄的氧化鋁膜，以防止銀和鋁的相互擴(kuò)散。這種背電極反射率高，穩(wěn)定性強(qiáng)，且便于在大面積的光伏模板的生產(chǎn)中實(shí)施。
文檔編號(hào)H01L31/075GK101246923SQ20071000497
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者李沅民, 昕 馬 申請(qǐng)人:北京行者多媒體科技有限公司